MHD控制激波诱导湍流边界层分离的机理分析

为了研究磁流体动力学(Magnetohydrodynamics:MHD)加速边界层对激波-湍流边界层相互作用的影响,用高阶有限差分法求解了小磁雷诺数近似的MHD湍流方程。其中,无粘通量采用WENN格式离散、粘性通量采用Roe平均中心差分离散,时间采用半隐式推进,并采取追赶法求解。计算给出了湍流、电场、磁场和电导率等参数对边界层分离的影响,数值结果显示:在同样的逆压梯度下,湍流边界层分离能更快地趋于稳态流场,且分离区比层流小;通过施加洛仑兹力加速,边界层速度型面变得更加饱满、位移厚度减小、分离点和再附点向激波与固壁的交点靠近,分离区尺寸减小甚至最终被消除。     

超声速压气机叶栅中激波,边界层相互作用的基本现象及被…

高级压比轴流压气机叶栅中激波，边界层相互作用会引起激波振荡并增加流动损失，本实验在超声速压气机叶栅风洞中研究激波，边界层相互作用现象并用激波，边界层相互作用的被动式控制方法寻求减弱激波振荡，减小流动损失的途径。     

等离子体气动激励控制超声速边界层分离的实验研究

等离子体气动激励与超声速气流相互作用已成为高速流动控制领域的研究热点。激波与边界层相互作用现象广泛存在于超声速飞行器之中。本文进行了等离子体气动激励控制压缩角区和激波诱导边界层分离的实验,通过流场纹影显示和壁面静压测量,研究等离子体气动激励如何影响激波、激波如何影响边界层特性的科学问题。实验结果表明:施加毫秒量级表面电弧放电能够前移压缩角区的诱导斜激波,使分离区后移,分离区域增加,但激波强度减弱,流场总压增加;施加微秒量级表面电弧放电能够抑制激波诱导边界层分离,使分离区减小,流场总压减小。基于实验结果,认为毫秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为放电过程的焦耳热效应;微秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为焦耳热效应和冲击波效应共同作用。     

高分辨率激波/边界层干扰时间演化过程分析

在超声速风洞中开展了湍流边界层与圆柱相互作用流场研究,试验马赫数为3.4和3.8。圆柱安装在试验段底板上,安装位置的边界层为充分发展的湍流边界层,研究了圆柱直径和高度对流场结构和压力脉动的影响。采用基于纳米示踪的平面激光散射(NPLS)技术获取了流向和展向流场精细结构,激波系和马蹄涡结构均可清晰分辨。通过展向流场图像可以发现干扰区内激波与湍流结构的相互作用具有明显的非定常性。采用动态压力传感器测量了圆柱前方相互作用区域的压力脉动特性,在激波足区域压力呈现11～38 kHz的宽频分布,推测主要由激波足与涡结构相互作用及滞止区涡结构的破碎引起。随着圆柱高度的增加,激波足附近测点对应的特征频率有所降低;上游测点则发现了0～3 kHz低频区能量的增强,这主要是由分离区引起的,表明在一定高度范围内高度的增加增强了流动分离。     

立楔诱导的高超声速流动分离数值分析

高超声速飞行器进气道等关键部件引起的激波与边界层相互作用将导致流动分离,从而改变当地压力分布与局部受热情况,影响飞行稳定性与飞行安全,因此需要对高超声速流动的分离现象进行细致研究。采用高精度5阶特征型WENO格式与3阶TVD型Runge-Kutta方法,求解三维Navier-Stokes方程,对立楔诱导的高超声速激波与边界层相互作用引起的分离流动流场结构进行了细致的数值模拟与分析。结果表明,5阶特征型WENO格式分辨率远高于类TVD格式;Ma=6时得到清晰的激波结构、分离涡结构及其演化过程和壁面极限流线的拓扑结构,证明了WENO格式应用于高超声速分离流动的可行性与高分辨率;对不同来流Mach数的对比证明Mach数的增大抑制流动分离,导致分离涡减小。     

支板喷射超燃冲压发动机激波/边界层相互作用研究

为探究高超声速条件下激波/边界层相互作用所诱发的复杂流动,以支板喷射超燃冲压发动机为研究对象,基于Fluent?计算平台并结合明渠流动模化实验,研究了不同边界条件超声速流动过程激波/边界层相互作用下的流动分离、再附以及总压损失等复杂流动特性.结果表明,随着入口马赫数增加,激波前后压比增大,导致再附激波增强;激波/边界层...     

双燃式（超燃）冲压发动机中激波与边界层之间相互作用对内 …

在激波风洞中研究了激波与边界层之间相互作用对双燃式冲压发动机进行道和燃烧室冷态内部流场的影响,实验发现与现在进气道中,激波与边界层之间的相互作用产生了两侧均为超声速流的滑移面。     

一种抑制激波-边界层相互作用的新型无源被动控制

为了探索一种抑制激波-边界层相互作用的新型无源、被动控制方法,采用有限体积法计算流体力学程序,分别对压缩拐角和激波入射平板两种典型流动的附面层分离进行了无源被动控制的数值研究.数值结果表明,新型无源被动控制方法消除了20°压缩拐角流动所产生的分离泡;对激波入射平板所诱导的附面层分离,采用的自适应无源控制方法可将分离区长度减小为无控制时的58％、总压恢复可比无控制时提高7.2％、x=0.85m截面最大回流速度较无控制时减小了69.3％.从而验证了无源被动抑制控制激波-边界层相互作用的可行性.     

高超音速湍流分离激波结构不稳定性的实验研究

用铂膜电阻温度计测量了前向台阶诱导激波与湍流边界层相互作用流场中的表面热流率脉动。试验条件是:自由流马赫数为7.8,单位长度雷诺数为3.5×10~7米~(-1)。给出相互作用区平均热流率和脉动热流率分布。结果表明:在激波诱导的高超音速湍流分离流中,激波结构是不稳定的,产生一个间歇区域。在间歇区中,表面平均热流率由未扰动湍流边界层的热流信号和低频高幅热流脉动迭加而成,出现一个极大值。相互作用愈强,愈大,间歇区域愈长。     

基于T-S波谐频共振的超燃进气道边界层转棙研究

针对超燃冲压发动机进气道由于激波-边界层干扰引起的边界层分离以及进气道堵塞问题,提出了一种基于T-S波谐频共振原理的进气道边界层控制方法,并通过一种典型的二元进气道风洞试验进行了方法验证。研究结果表明,本文所提出的转捩控制方法能够较好的消除由激波-边界层干扰而引起的边界层分离现象,进而降低边界层分离对进气道性能的不良影响,确保进气道性能。同时说明,在超燃进气道设计过程中,需要充分考虑边界层转捩问题,引入有效的边界层转捩控制方法,以保证发动机的正常工作。      

端壁吸/吹气对超声速压气机叶栅流场影响机理的对比研究

附面层吸/吹气是抑制流动分离、提高压气机叶片负荷的有效技术途径。针对超声速压气机叶栅内激波诱导的角区分离,分别采用多种不同的端壁吸/吹气方案对其进行流动控制,旨在探索端壁吸/吹气对激波干涉下角区分离的控制机理,并对比分析端壁吸/吹气对超声速压气机叶栅角区分离的控制效果。结果表明:在激波/端壁附面层干涉下,该超声速压气机叶栅内存在大范围的激波诱导角区分离,角区分离使得该超声速叶栅存在强三维效应,二维叶栅中的单正激波变为"斜激波+正激波"结构,叶中吸力面尾缘开式分离变为闭式分离;端壁吸气可有效抑制该超声速叶栅的角区分离,吸气后近端壁区损失系数大幅降低,最优端壁吸气缝方案的起始点与亚声速压气机叶栅相同,但端壁吸气后叶中的双激波结构变为单正激波结构,叶中流动分离增大;端壁吹气也可有效抑制角区分离,其控制效果略优于端壁吸气,其原因是吹气缝处的静压高于吸气缝,对激波的增强作用弱于端壁吸气;与端壁吸气方案不同的是,最优端壁吹气缝方案的起始点位于叶片前缘。     

Strong interactions of incident shock wave with boundary layer along compression corner

The coherent structure and instability of the interaction of incident shock wave with boundary layer developing on a compression corner are experimentally studied. The experiments are carried out in a supersonic wind tunnel of Mach number 2. Particular attention is paid to shock patterns and unsteady shock motions induced by the separation bubble. The high-speed schlieren is used to visualize the flowfield evolution and to characterize the instability. The snapshot proper orthogonal decomposition of schlieren sequences is applied to investigate the primary coherent structure in the flowfield. Fast Fourier transform and continuous wavelet transformation are applied to characterize the instability. The results show that there are large-scale low-frequency oscillations of the shock waves and small-scale high-frequency pulsations in the separation region. The peak frequency of shock oscillation is mainly concentrated in the range of 100–1000 Hz. The pulsation of the small flow structure in the separation bubble is mainly concentrated above 12.5 kHz. Based on the results of experimental analysis, the preliminary mechanism of the large-scale instability of such interaction is obtained.     

激波-边界层-分离流相互干扰三维湍流的数值模拟

本文采用数值方法求解时间相关三维可压缩雷诺平均Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程组,模拟激波—边界层—分离流相互干扰三维湍流流动。湍流模型为Ｂａｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ两层代数模型,改进后用于三维内流问题。采用单元中心有限体积法离散流场控制方程,ＶａｎＬｅｅｒ矢通量格式计算无粘通量,中心差分法计算粘性通量,ＬＵＳＧＳ时间推进格式计算定常流场。本文以二元跨音速扩压器内三流动为算例,数值模拟较强激波—边界层—分离流相互干扰维湍流流动,并与实验结果进行了比较。数值模拟结果,在激波强度、分离点位置和再附点位置等方面,与实验结果吻合较好。     

采用附面层抽吸(BLS)控制流动分离的数值模拟

采用数值模拟的方法,研究了附面层抽吸(BLS)对两种具有不同分离特征的叶栅流场的气动影响。通过比较抽吸前后极限流线谱和叶栅损失的变化,对抽吸前后的流场进行定性分析。结果表明,采用附面层抽吸技术可以明显改善大转角、大分离叶栅的气动性能。其中,对以闭式分离为主要特征的叶栅流场,其最佳抽吸位置为主分离区的起始位置,即鞍点附近;对以开式分离为主要特征的叶栅流场,其最佳抽吸位置位于主分离区的上游。     

超声速进气道喉部附面层抽吸

为研究超声速进气道喉部之后流场激波附面层干扰,采用FLUENT软件模拟了单楔角进气道在设计工况下流动情况。通过分析,提出进气道喉部抽吸。计算了三种抽吸缝大小下进气道喉部之后流场,计算结果表明,喉部抽吸能使激波稳定于喉部,通过抽吸能改善喉部之后流场状况,提高进气道性能,少量抽气不改变流场结构,加大抽气量,使喉部之后激波串转变成正激波,正激波之后流场不分离,进气道出口性能参数提高显著。     

Experimental characteristics of oblique shock train upstream propagation

The structure and dynamics of an oblique shock train in a duct model are investigated experimentally in a hypersonic wind tunnel. Measurements of the pressure distribution in front of and across the oblique shock train have been taken and the dynamics of upstream propagation of the oblique shock train have been analyzed from the synchronized schlieren imaging with the dynamic pressure measurements. The formation and propagation of the oblique shock train are ini-tiated by the throttling device at the downstream end of the duct model. Multiple reflected shocks, expansion fans and separated flow bubbles exist in the unthrottled flow, causing three adverse-pressure-gradient phases and three favorable-pressure-gradient phases upstream the oblique shock train. The leading edge of the oblique shock train propagates upstream, and translates to be asym-metric with the increase of backpressure. The upstream propagation rate of the oblique shock train increases rapidly when the leading edge of the oblique shock train encounters the separation bubble near the shock reflection point and the adverse-pressure-gradient phase, while the oblique shock train slow movement when the leading edge of the oblique shock train is in the favorable-pressure-gradient phase for unthrottled flow. The asymmetric flow pattern and oscillatory nature of the oblique shock train are observed throughout the whole upstream propagation process.     

Interaction mechanisms of shock waves with the boundary layer and wakes in a highly-loaded NGV using hybrid RANS/LES

Accurate predictions of Shock Waves and Boundary Layer Interaction (SWBLI) and strong Shock Waves and Wake Vortices Interaction (SWWVI) in a highly-loaded turbine propose challenges to the currently widely used Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) model. In this work, the SWBLI and the SWWVI in a highly-loaded Nozzle Guide Vane (NGV) are studied using a hybrid RANS/LES strategy. The Turbulence Kinetic Energy (TKE) budget and the Proper Orthogonal Decomposition (POD) method are used to analyze flow mechanisms. Results show that this hybrid RANS/LES method can obtain detailed flow structures for flow mechanisms analysis. Strong shock waves induce boundary layer separation, while the presence of a separation bubble can in turn lead to a Mach reflection phenomenon. The shock waves cause trailing-edge vortices to break clearly, and the wakes, in turn, can change the shocks intensity and direction. Furthermore, the Entropy Generation Rate (EGR) is used to analyze the irreversible loss. It turns out that the SWWVI can reduce the flow field loss. There are several weak shock waves in the NGV flow field, which can increase the irreversible loss. This work offers flow mechanisms analysis and presents the EGR distribution in SWBLI and SWWVI areas in a transonic turbine blade.